Төмен жарықта көру қабілеті

Кіріспе

Аз жарық жағдайында көру қабілеті

Түнгі көру – бұл аз жарық жағдайында көру қабілеті, ол табиғи скотоптық көру арқылы немесе түнгі көру құрылғысының көмегімен жүзеге асырылады. Түнгі көру үшін жеткілікті спектрлік және интенсивтілік диапазондары қажет. Адамның түнгі көру қабілеті мысықтар, иттілер, түлкілер және қояндар сияқты көптеген жануарлармен салыстырғанда нашар, өйткені адам көзінде торсықтың артында жарықты фоторецепторларға қайта бағыттайтын тапетум люцидум тіні жоқ, бұл жарықтың мөлшерін арттырады.

Спектрлік диапазоны

Түнде пайдалы спектрлік диапазон техникалары адамға көрінбейтін сәулеленуді анықтай алады. Адамның көруі электромагниттік спектрдің шағын бөлігімен – көрінетін жарықпен шектеледі. Күшейтілген спектрлік диапазон қараушыға көрінбейтін электромагниттік сәулелену көздерін (мысалы, жақын инфрақызыл немесе ультракүлгін сәулелену) пайдалануға мүмкіндік береді. Шаңшыған креветка және форель сияқты кейбір жануарлар инфрақызыл және/немесе ультракүлгін спектрдің адамдардан гөрі көбірек бөлігін көре алады.

Жарықтық диапазоны

Жарық интенсивтілігінің жеткілікті диапазоны – бұл өте аз мөлшердегі жарықпен көру мүмкіндігі. Көптеген жануарлардың түнгі көру қабілеті адамнан артық, бұл олардың көздерінің морфологиясы мен анатомиясындағы бір немесе бірнеше айырмашылықтардың нәтижесі. Оларға көздің үлкен шар тәрізді бөлігі, үлкен линза, үлкен оптикалық саңылау (оқушылар қабақтың физикалық шегіне дейін кеңейе алады), торлы қабатта конустардан гөрі көп таяқшалар (немесе тек таяқшалар ғана) және жарқырағыш қабат (tapetum lucidum) жатады. Жарық интенсивтілігінің диапазонын арттыру технологиялық құралдар арқылы бейне күшейткіш, күшейткіштік CCD немесе өте төмен шу деңгейімен және жоғары сезімталдықпен жұмыс істейтін фотодетекторлар тізімі арқылы жүзеге асырылады.

Биологиялық түнгі көру

Омыртқалы жануарлардың көзіндегі барлық фоторецептор жасушалары фоторецептор ақуыздарының молекулаларын қамтиды, ол түсті көру жасушаларындағы фотопсин, түнгі көру жасушаларындағы родопсин және ретиналь (кішкентай фоторецептор молекуласы) ақуыздарының комбинациясы болып табылады. Ретиналь жарықты сіңірген кезде пішінінің өзгеруіне ұшырайды; бұл өзгеріс ретинальды қоршап тұрған ақуыздың пішінін өзгертеді, ал бұл өзгеріс көруге әкелетін физиологиялық процесті тудырады. Ретиналь көру жасушасынан шығып, көзге тарап, қан арқылы бауырға жетіп, қайта жаңартылуы керек. Жарық күшті болғанда, ретинальдың көп бөлігі фоторецепторларда емес, көздің сыртында болады. Барлық фоторецептор ақуыздарының белсенді ретинальмен қайта зарядталуы үшін қараңғыда шамамен 45 минут уақыт қажет, бірақ түнгі көруге бейімделудің көп бөлігі қараңғыдағы алғашқы бес минутта жүреді. Бейімделу жарыққа максималды сезімталдыққа әкеледі. Қараңғыда жауап беруге және көруді іске қосуға жеткілікті сезімталдыққа тек таяқша жасушалары ғана ие. Адамның таяқшаларындағы родопсин ұзын, қызыл толқын ұзындықтарына сезімтал емес, сондықтан көптеген адамдар түнгі көруді сақтау үшін дәстүрлі түрде қызыл жарықты қолданады. Қызыл жарық таяқшалардағы родопсин қорын баяу қысқартады, ал оның орнына қызылға сезімтал конус жасушалары көреді. Тағы бір теория бойынша, жұлдыздар әдетте қысқа толқын ұзындығында жарық шығарады, сондықтан жұлдыздардан шыққан жарық көк-жасыл спектрде болады. Сондықтан, навигация үшін қызыл жарықты қолдану жұлдыз жарығын анықтайтын рецепторларды сезсіздендірмейді. Көптеген жануарлардың көзінің артқы жағында жарықты торша арқылы кері шағылыстыратын, суретті түсіруге қол жетімді жарық мөлшерін арттыратын, бірақ бейненің нақтылығын азайтатын тапетум люцидум деп аталатын тіндік қабаты бар. Бұл көптеген түнгі жануарларда және кейбір терең теңіз жануарларында кездеседі және көздің жылтырауының себебі болып табылады. Адамдар мен маймылдарда тапетум люцидум жоқ. Түнде тіршілік ететін сүтқоректілерде түнде жақсы көруді қамтамасыз ететін ерекше қасиеттері бар таяқшалары бар. Олардың таяқшаларының ядролық құрылымы туғаннан кейін көп ұзамай өзгеріп, инверттелген күйге енеді. Қалыпты таяқшалардан айырмашылығы, инверттелген таяқшалардың ядросының ортасында гетерохроматин, ал шетінде эухроматин және басқа транскрипция факторлары болады. Сонымен қатар, түнгі сүтқоректілердің торшасындағы жасушалардың сыртқы қабаты (сыртқы ядролық қабаты) төмен жарық интенсивтілігін өңдеу үшін миллиондаған таяқшалардың болуына байланысты қалың болады. Түнде тіршілік ететін сүтқоректілердің анатомиясы осы қабаттың анатомиясы, жеке жасушалардан шыққан таяқша ядролары физикалық жағынан жинақталған, сондықтан жарық жасушалардың фоторецепторлық бөлігіне жетуден бұрын сегіз-он ядродан өтеді. Жарық шашырағаннан гөрі, ядролық инверсияға байланысты күшті линзалық әсер арқылы әр ядроға жеке-жеке беріледі, ядролардың үймегінен шығып, он фоторецепторлық сыртқы сегменттердің үймегіне өтеді. Бұл анатомиялық өзгерістің нәтижесі - ретинаның жарыққа сезімталдығын 8-10 есе көбейту, нақтылық жоғалмайды. Оқушының кеңеюі - түнгі көруге салыстырмалы түрде аз үлес қосатын биологиялық процесс. Адамдарда көздің қабыршақтары оқушының мөлшерін жарық жағдайында 2 мм-ден қараңғыда 8 мм-ге дейін өзгерте алады, бірақ бұл әр адамға және жасына байланысты өзгереді, жасқа байланысты оқушының максималды диаметрі кішірейеді. Алайда, кейбір адамдар қараңғыда оқушыларын 9 мм-ден аса диаметріне дейін кеңейте алады, бұл оларға жақсы түнгі көру қабілетін береді.

All photoreceptor cells in the vertebrate eye contain molecules of photoreceptor protein which is a combination of the protein photopsin in color vision cells, rhodopsin in night vision cells, and retinal (a small photoreceptor molecule). Retinal undergoes an irreversible change in shape when it absorbs light; this change causes an alteration in the shape of the protein which surrounds the retinal, and that alteration then induces the physiological process which results in vision. The retinal must diffuse from the vision cell, out of the eye, and circulate via the blood to the liver where it is regenerated. In bright light conditions, most of the retinal is not in the photoreceptors, but is outside of the eye. It takes about 45 minutes of dark for all of the photoreceptor proteins to be recharged with active retinal, but most of the night vision adaptation occurs within the first five minutes in the dark. Adaptation results in maximum sensitivity to light. In dark conditions only the rod cells have enough sensitivity to respond and to trigger vision. Rhodopsin in the human rods is insensitive to the longer red wavelengths, so traditionally many people use red light to help preserve night vision. Red light only slowly depletes the rhodopsin stores in the rods, and instead is viewed by the red sensitive cone cells. Another theory posits that since stars typically emit light with shorter wavelengths, the light from stars will be in the blue green color spectrum. Therefore, using red light to navigate would not desensitize the receptors used to detect star light. Many animals have a tissue layer called the tapetum lucidum in the back of the eye that reflects light back through the retina, increasing the amount of light available for it to capture, but reducing the sharpness of the focus of the image. This is found in many nocturnal animals and some deep sea animals, and is the cause of eyeshine. Humans, and monkeys, lack a tapetum lucidum. Nocturnal mammals have rods with unique properties that make enhanced night vision possible. The nuclear pattern of their rods changes shortly after birth to become inverted. In contrast to conventional rods, inverted rods have heterochromatin in the center of their nuclei and euchromatin and other transcription factors along the border. In addition, the outer layer of cells in the retina (the outer nuclear layer) in nocturnal mammals is thick due to the millions of rods present to process the lower light intensities. The anatomy of this layer in nocturnal mammals is such that the rod nuclei, from individual cells, are physically stacked such that light will pass through eight to ten nuclei before reaching the photoreceptor portion of the cells. Rather than being scattered, the light is passed to each nucleus individually, by a strong lensing effect due to the nuclear inversion, passing out of the stack of nuclei, and into the stack of ten photorecepting outer segments. The net effect of this anatomical change is to multiply the light sensitivity of the retina by a factor of eight to ten with no loss of focus. Pupillary dilation is a biological process that contributes a relatively minor amount to night vision. In humans, the irises can adjust the size of the pupil from 2 mm in bright light, to as large as 8 mm in dark conditions, but this varies by individual and age, with age causing the maximal pupil diameter to decrease. However, some humans are capable of dilating their pupils to over 9 mm in diameter in the dark, giving them better night vision capabilities.

Түнгі көру технологиялары

Түнгі көру технологияларын үш негізгі санатқа бөлуге болады: бейне күшейту, активті жарықтандыру және жылулық түсіру.

Суретті күшейту

Бұл түрлі табиғи көздерден, мысалы, жұлдыздар немесе ай жарығынан түсетін фотондардың мөлшерін арттырады. Мұндай технологиялардың мысалдары ретінде түнгі көзілдіріктер және аз жарық камераларын атауға болады. Әскери контексте бейне күшейткіштерді көбінесе "Аз жарық телевизоры" деп атайды, себебі бейнесигнал көбінесе басқару орталығындағы дисплейге жіберіледі. Олар әдетте көрінетін және инфрақызыл детекторлары бар сенсорға біріктіріледі, ал ағындар қолдағы міндеттің талаптарына сәйкес дербес немесе біріктірілген режимде қолданылады. Бейне күшейткіш – вакуумдық түтік негізіндегі құрылғы (фотокөбейтуші түтік), ол өте аз мөлшердегі фотондардан (мысалы, аспандағы жұлдыздардың жарығы) бейне жасауға қабілетті, соның арқасында нашар жарықпен жарықтандырылған көріністі адам көзімен нақты уақытта көруге болады немесе кейінірек талдау үшін дерек ретінде сақтауға болады. Көптеген адамдар жарық "күшейтіледі" деп ойлайды, бірақ бұл дұрыс емес. Жарық зарядталған фотокатод пластинасына түскенде, электрондар вакуумдық түтік арқылы шығарылып, микроканал пластинасына тиеді. Бұл экранның фотокатодқа түскен жарықпен бірдей үлгіде және адам көзі көре алатын толқын ұзындығында жарықтандыруына себеп болады. Бұл ЭЛТ теледидарына ұқсас, бірақ түстік қанатардың орнына фотокатод шығару жұмысын атқарады. Бейне "күшейтілген" деп айтылады, өйткені шығарылатын көрінетін жарық кіріс жарықтан аспайды, және бұл эффект түнгі көрудің пассивті және активті түрлері арасындағы айырмашылыққа тікелей қатысты. Қазіргі уақытта ең танымал бейне күшейткіш – ANVIS модулі, бірақ нарықта көптеген басқа модельдер мен өлшемдер де қолжетімді. Жақында АҚШ Әскери-теңіз күштері ANVIS-тің екі түсті нұсқасын әуе платформаларының кабинасында пайдалану ниетін жариялады.

Белсенді жарықтандыру

Активті жарықтандыру – бейнелеуді күшейту технологиясын, жақын инфрақызыл (NIR) немесе қысқа толқынды инфрақызыл (SWIR) диапазонындағы белсенді жарық көзімен үйлестіреді. Мұндай технологиялардың мысалдары – жарық аз камералар. Активті инфрақызыл түнгі көру, 700–1000 нм спектрлік диапазондағы инфрақызыл жарықтандыруды (адам көзінің көрінетін спектрінен сәл жоғары) осы жарыққа сезімтал CCD камералармен біріктіреді. Адамға қараңғы болып көрінетін сурет, қарапайым дисплейде монохромды бейне ретінде пайда болады. Активті инфрақызыл түнгі көру жүйелері жоғары деңгейде инфрақызыл сәуле шығаратын жарықтандырғыштарды қамтитындықтан, алынған суреттер әдетте басқа түнгі көру технологияларына қарағанда жоғары ажыратымдылыққа ие. Активті инфрақызыл түнгі көру қазір коммерциялық, тұрғын үй және мемлекеттік қауіпсіздік салаларында кеңінен қолданылады, ол жарық аз жағдайда түнгі уақытта тиімді бейнелеуді қамтамасыз етеді. Дегенмен, активті инфрақызыл жарық түнгі көру көзілдірігімен анықталуы мүмкін болғандықтан, тактикалық әскери операцияларда орналасқан жерін жариялау қаупі бар. Лазерлік қашықтықпен шектеулі бейнелеу – активті түнгі көрудің тағы бір түрі, ол жарықтандыру және бейнелеу үшін жоғары қуатты импульсті жарық көзін пайдаланады. Қашықтықпен шектеу – лазерлік импульстерді камера детекторларының жапқыш жылдамдығымен үйлестіретін әдіс. Шектеулі бейнелеу технологиясын детектор бір жарық импульсінен сурет түсіретін бір реттік және детектор бірнеше жарық импульстарын біріктіріп сурет құрайтын көп реттік деп бөлуге болады. Бұл техниканың басты артықшылығы – нысананы тану мүмкіндігі, термалдық бейнелеудегідей жай ғана анықтау емес.

Термиялық көру

Термиялық бейнелеу фондық және алдыңғы нысандар арасындағы температура айырмашылығын анықтайды. Кейбір ағзалар арнайы органдар арқылы қарапайым термосуретті сезуге қабілетті, бұл органдар болометрлер ретінде жұмыс істейді. Бұл жыландарда жылулық инфрақызыл сезімін қамтамасыз етеді, ол жылулық сәулеленуді анықтау арқылы жұмыс істейді. Термиялық бейнелеу камералары түнгі көру үшін тамаша құралдар болып табылады. Олар жылулық сәулеленуді анықтайды және жарық көзіне мұқтаж болмайды. Олар қараңғы түндерде де бейне шығара алады, сонымен қатар жеңіл тұман, жаңбыр және түтін арқылы да (белгілі бір деңгейде) көре алады. Термиялық бейнелеу камералары температураның шағын айырмашылықтарын көрінеу етеді. Олар жаңа немесе қолданыстағы қауіпсіздік жүйелерін толықтыру үшін және ұшақтарда түнгі көру үшін кеңінен қолданылады, онда олар көбінесе "FLIR" ( "forward looking infrared" – алға қарап инфрақызыл) деп аталады. Қосымша камералармен (мысалы, көрінетін спектрлі камера немесе SWIR) жұптастырылғанда, әрбір анықтау диапазонының мүмкіндіктерін пайдаланатын көп спектрлі сенсорлар жасауға болады. Бұқаралық ақпарат құралдарында көрсетілген қате түсініктерге қарамастан, термиялық бейнелеу құралдары қатты денелер (мысалы, қабырғалар) арқылы "көре алмайды", сондай-ақ шыны немесе акрил арқылы да көре алмайды, себебі екі материалдың да өзіндік жылулық қолтаңбасы бар және олар ұзақ толқынды инфрақызыл сәулелену үшін өткізбейді.

Тарих

Бейне күшейткіштер пайда болғанға дейін түнгі көзілдіріктер түнгі көрудің жалғыз құралы болды, сондықтан, әсіресе теңізде кеңінен қолданылды. Екінші дүниежүзілік соғыс кезеңіндегі түнгі көзілдіріктердің линзасының диаметрі 56 мм немесе одан да үлкен, ал ұлғайтуы жеті немесе сегіз болатын. Түнгі көзілдіріктердің басты кемшілігі – олардың үлкен көлемі мен ауыр салмағы.

Қазіргі технология

Түнгі көру құрылғысы (ТКҚ) – әскери күштер жиі қолданатын, қатты корпустағы бейне күшейткіш түтігін қамтитын құрылғы. Соңғы кезде түнгі көру технологиясы азаматтық мақсатта кеңінен қолданыла бастады. Мысалы, ұшақтарға арналған жағдайды түсінуді жақсартатын жүйелер (EVS) пайда болды, олар ұшқыштардың апаттардың алдын алу үшін ахуалды бағалау қабілетін арттырады. Бұл жүйелер Cirrus және Cessna сияқты өндірушілердің соңғы авиациялық жиынтықтарына кіреді. АҚШ Әскери-теңіз күштері Elbit Systems компаниясы шығарған, қасқыршаға орнатылған дисплейге біріктірілген нұсқаны сатып алуды бастады. Түнгі көру көздігінің (NVG) ерекше түрі – екі көздікті түнгі көру құрылғысы. Құрылғы екі көзіне бірдей сурет жіберілетін бір интенсификатор түтігін немесе әр көз үшін жеке бейне интенсификатор түтігін пайдалана алады. Түнгі көру көздіктері мен ұлғайтқыш линзалар түнгі көру бинокулін құрайды. Басқа түрлеріне тек бір көзбен қаралатын монокулярлық түнгі көру құрылғылары жатады, оларды түнгі көрініс ретінде қаруға орнатуға болады. NVG және EVS технологиялары қауіпсіздікті арттыру үшін тікұшақтарды пайдалануда кеңінен танымал болып келеді. NTSB қауіпсіздік мүмкіндіктері үшін EVS-ті ұсынылатын жабдық ретінде қарастыруда. Түнгі көзілдіріктер – үлкен диаметрлі объективі бар бір немесе бинокулярлы құрылғылар. Үлкен линзалар жарықты жинап, шоғырландырады, осылайша жарықты тек оптикалық тәсілдермен күшейтеді және пайдаланушыға қараңғыда қанағаттанған көзбен қарағанда жақсы көруге мүмкіндік береді. Түнгі көзілдіріктерде көбінесе 7 мм немесе одан да көп шығыс диаметрі болады, бұл барлық жиналған жарықты пайдаланушының көзіне жібереді. Алайда, көптеген адамдар бұл мүмкіндікті пайдалана алмайды, себебі адамның көзінің кеңеюі шектеулі. Бұл мәселені шешу үшін әскерилерге кейде көзді кеңейту үшін атропин тамшылары берілетін. Қазіргі уақытта PVS 14 монокуляры – НАТО күштерінде ең көп қолданылатын және таңдалатын түнгі көру құрылғысы. Оны АҚШ армиясы пайдаланады және ол төмен құнымен, кең қолданылуымен және модификациялау мүмкіндігімен танымал. PVS 31 бинокуляры және GPNVG 18 төрт түтік түнгі көру құрылғысы сияқты жоғары деңгейдегі құрылғыларды арнайы күштер тобы қолданады, бірақ олар қымбат. Монокулярлар көбінесе дамыған күштер үшін артықшылыққа ие. Түнгі көру жүйелерін көліктерге де орнатуға болады. Автомобильдің түнгі көру жүйесі жүргізушінің қараңғыда немесе нашар ауа райында көру қабілетін жақсарту үшін қолданылады. Мұндай жүйелер әдетте инфрақызыл камераларды пайдаланады, кейде белсенді жарықтандыру әдістерімен біріктіріледі, содан кейін жүргізушіге көрсетілетін ақпаратты жинау үшін. Мұндай жүйелер қазіргі уақытта кейбір премиум көліктерде қосымша жабдық ретінде ұсынылады.

A night vision device (NVD) is a device comprising an image intensifier tube in a rigid casing, commonly used by military forces. Lately, night vision technology has become more widely available for civilian use. For example, enhanced vision systems (EVS) have become available for aircraft, to augment the situational awareness of pilots to prevent accidents. These systems are included in the latest avionics packages from manufacturers such as Cirrus and Cessna. The US Navy has begun procurement of a variant integrated into a helmet mounted display, produced by Elbit Systems. A specific type of NVD, the night vision goggle (NVG) is a night vision device with dual eyepieces. The device can utilize either one intensifier tube with the same image sent to both eyes, or a separate image intensifier tube for each eye. Night vision goggles combined with magnification lenses constitutes night vision binoculars. Other types include monocular night vision devices with only one eyepiece which may be mounted to firearms as night sights. NVG and EVS technologies are becoming more popular with helicopter operations, to improve safety. The NTSB is considering EVS as recommended equipment for safety features. Night glasses are single or binocular with a large diameter objective. Large lenses can gather and concentrate light, thus intensifying light with purely optical means and enabling the user to see better in the dark than with the naked eye alone. Often night glasses also have a fairly large exit pupil of 7 mm or more to let all gathered light into the user's eye. However, many people cannot take advantage of this because of the limited dilation of the human pupil. To overcome this, soldiers were sometimes issued atropine eye drops to dilate pupils. Currently, the PVS 14 monocular is the most widely used and preferred night vision device across NATO forces. It is used by the United States army, and is known for its low cost and wide range of uses and modification ability. Some higher end devices including the PVS 31 binocular and GPNVG 18 quad tube night vision are used by special forces groups, but are costly. Monoculars are generally preferred by developed forces. Night vision systems can also be installed in vehicles. An automotive night vision system is used to improve a vehicle driver's perception and seeing distance in darkness or poor weather. Such systems typically use infrared cameras, sometimes combined with active illumination techniques, to collect information that is then displayed to the driver. Such systems are currently offered as optional equipment on certain premium vehicles.